CN1054080C

CN1054080C - 带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴

Info

Publication number: CN1054080C
Application number: CN95111750A
Authority: CN
Inventors: 于遵宏; 龚欣; 王辅臣; 沈才大; 于广镇; 吴韬
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 1995-09-07
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 2000-07-05
Anticipated expiration: 2015-09-07
Also published as: CN1125163A

Abstract

本发明公开了一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴，它主要由中心喷管、内环喷管、外环喷管，以及旋流器与冷却系统诸零部件组合安装而成。气化剂在旋流器的作用下，不仅有效地提高了雾化角，促进了气化剂与燃料之间的快速混合，从而提高了燃料的转化率与气相中有效组份的含量，而且有效地缩短了燃烧火焰的长度，因而从整体上延长了气化炉的寿命。此外，通过设置冷却系统良好地保护了喷嘴，延长了喷嘴的使用寿命。

Description

带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴

本发明涉及一种燃料雾化与混合的装置。

煤的清洁高效利用是当今煤科学研究中最活跃的课题，煤气化生产合成气、燃料气、还原气是煤的清洁高效利用的最重要的途径。在众多的气化方法中，人们普遍看好以水煤浆为原料，以含氧气体为气化剂的射流携带床(或称气流床)技术。70年代末，美国Texaco开发公司与德国鲁尔公司完成了水煤浆射流携带床的气化技术的中间试验，此后相继用于美国Eastman年产十万吨的醋酸装置，世界上第一套商业化联合循环发电(IGCC)示范装置(美国电站)，日本叶县年产二十万吨合成氨装置上。该技术的核心是水煤浆的气化喷嘴。

美国专利U.S.Patant 3705108，3743606，分别公开了一种水煤浆气化喷嘴，该类喷嘴具有结构简单、维修方便的优点，但是在工业生产的实际使用中发现，该类喷嘴存在下列缺点：

(1)“火焰”的喷射距离较长，造成气化炉内耐火砖严重烧蚀，缩短了造气炉的使用寿命；

(2)气化剂与燃料混合较差，气化不完善，有效气(CO+H₂)成分的含量较低，而CO₂含量则偏高，碳的转化率仅为96％；

(3)喷嘴磨蚀严重，寿命仅为2～3个月。

鉴于现有技术的上述缺点，影响了煤气化工程的进一步发展，为此产业部门迫切希望有关科技工作者对现有的气化喷嘴作出改进，提供一种性能更为优异的气化喷嘴，以推动煤气化工业的技术进步。

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，设计了一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆的气化喷嘴，具有使用寿命长、火焰喷射距离可控、混合雾化效果好、碳的转化率高等优点，可满足产业部门对气化喷嘴的要求。

本发明的构思是这样的，发明人在长期从事煤科学研究的基础上发现：水煤浆的气化技术(或简称煤浆气化技术)的优劣主要取决于气化喷嘴的特性，以及喷嘴与炉体匹配形成的流场特征。

众所周知，水煤浆气化过程是一种部分燃烧氧化反应，它通常在高温(1250～1450℃)下进行，化学反应速度极快，所以整个气化过程为混合(含雾化)过程控制，而混合(含雾化)过程完全是由喷嘴特性所决定的。换句话说，气化喷嘴的优劣及其与炉体匹配形成的流场特征决定了水煤浆气化过程的效果。

本发明设想通过在气化剂的喷头内设置旋流器来提高气化剂的旋流速率，以优化提高喷嘴的雾化角，从而提高喷嘴的混合雾化效果，提高碳的利用率(或转化率)，和有效气(H₂+CO)的产率，同时设置旋流器后可有效地缩短燃烧火焰的长度，从而起到保护造气炉的耐火砖的作用，延长了炉子的寿命；此外，本发明设想通过在喷嘴出口端的外侧设置一冷却系统，以保护喷嘴，延长喷嘴的寿命；同时通过选择耐磨耐高温的材料作燃料出口的喷嘴，从而大大提高喷嘴的使用寿命。

本发明亦是这样实现的：发明人按照上述构思设计制作了一种带旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴，由中心喷管、内环喷管、外环喷管组成同心的三通道式气化喷嘴，气化剂分别由中心通道、外环隙通道进入喷嘴，水煤浆(或其他燃料)由内环隙通道进入喷嘴，调控气化剂与水煤浆的混合比可使喷嘴出口处的燃烧火焰缩短至适宜的长度(由于混合比受反应过程控制，仅可在微小范围内调控)。

所说的中心通道是指中心喷管内的空间；内环隙通道是指中心喷管外壁与内环喷管内壁所构成的环隙空间；外环隙通道是内环喷管外壁与外环喷管内壁缺构成的环隙空间。

所说的中心喷管，主要由中心导管(位于上部)和中心喷头(位于下部)两部分组成，二者通过机械配合后再固接而成。中心导管的顶端通过法兰用盲板封闭，中心导管的上部设有气化剂入口管，气化剂入口管的下方设有联接法兰，籍助它与内环导管的顶端法兰相配合固接。

所说的内环喷管，主要由内环导管(位于上部)和内环喷头(位于下部)两部分组成，二者通过机械配合后再固接而成。内环导管的顶端设有联接法兰，籍助它与中心导管上的联接法兰相配合固接，内环导管的上部设有燃料入口管，燃料入口管的下方设有联接法兰，籍助它与外环导管的顶端法兰相配合固接。

所说的外环喷管，主要由外环导管(位于上部)和外环喷头(位于下部)两部分组成，二者通过机械配合后再固接而成。外环导管的顶端设有联接法兰，籍助它与内环导管上的联接法兰相配合固接，外环导管的上部设有气化剂入口管，气化剂入口管的下方设有联接法兰，籍助它与造气炉子外壳上的法兰相固接。

中心喷头的内收缩半角α为15°～60°，其外侧倾角β为30°～60°；内环喷头的内收缩半角γ与中心喷头的外侧倾角保持一致，其外侧倾角τ为20°～80°；外环喷头的内收缩半角ε为20°～75°。

为了保证中心喷头、内环喷头、外环喷头三者的同心度，在中心喷头外侧、内环喷头的外侧分别设有精加工的凸缘，籍助凸缘的外侧弧线分别与内环喷头内侧的柱面、外环喷头的内侧的柱面相配合，并保持同心度。

为了改善气化喷嘴的混合雾化效果与缩短燃烧火焰的长度，分别在中心喷头内、外环喷头内设置旋流器。所说的旋流器可以是轴向螺旋槽式，也可以是轴向旋片式。设置于中心喷头内的旋流器，其外径与中心喷头的内径相等，并配合安装于中心喷头内；旋流器的中心为柱形空腔，轴枢内径与外径之比为0.1～0.8。设置于外环喷头内的旋流器，其外径与外环喷头的内径相等，并配合安装于外环喷头内；旋流器的中心为圆柱形空腔，空腔的直径与内环喷头的圆柱部分的外径相等，并活套在其上，旋流器的轴枢半径与其外半径之比为0.6～0.9。

进入中心通道和进入外环通道的气化剂，分别通过旋流器后形成一股高速的旋流，在气化喷嘴的喷口处与燃料进行强烈的混合雾化，有效地改善了喷嘴的气化特性。

为了保护喷嘴，在喷嘴的端部外侧设置了冷却室，在外环喷管的外侧设置了冷却蛇管，冷却液由入口管导入冷却室，经蛇管后，由出口管排出。

所说的中心喷管、外环喷管、内环导管、冷却室、冷却蛇管、旋流器，其材料可以为不锈钢，亦可以为Incone 1600耐高温材料，但内环喷头必须用耐磨、耐蚀、耐温的金属材料或高温陶瓷材料。

所说的气化剂可以是空气或氧含量大于21％的富氧气或含氧量大于99％的纯氧，它可视造气的工艺要求而定。

所说的燃料除了水煤浆外，也可以用石脑油、柴油、重油、常减渣油、沥青、岩页油，以及其它工业废料。当以水浆为原料时，水煤浆的浓度宜为58～80％(wt％)。

气化剂在喷嘴出口处的速度为30～340m/s，燃料在喷嘴出口处的速度为0.1～1.0m/s，氧气与燃料中碳量之比为0.6～1.6Nm³/kg。

所说喷嘴宜在常压～1.2MPa下操作。

下面结合附图进一步阐明本发明的内容：

图1为带有旋流器的三通道组合式气化喷嘴的外形正视图。

图2为带有旋流器的三通道组合式气化喷嘴的A-A部分的剖视图。

图3为带有旋流器的三通道组合式气化喷嘴的B-B部分的俯视图。其中：1——三通道组合式气化喷嘴主要由中心喷管、内环喷管、外环喷管组合

而成；2——冷却系统，它主要由冷却室22与蛇管4构成；3——冷却液入口管，其一端与冷却室22相通；4——蛇管，它绕于喷嘴的外侧，一端与冷却室22相通，另一端与冷却液

出口管5相连；5——冷却液出口管；6——联接法兰，它与气化炉上的法兰相固接；7——气化剂入口管，气化剂由此进入外环隙通道16中；8——燃料入口管，燃料由此进入内环隙通道15中；9——气化剂入口管，气化剂由此进入中心通道14中；10——联接法兰；11——联接法兰；12——联接法兰；13——联接法兰；14——中心通道；14a——中心导管，其顶端部设有联接法兰17，上部设有气化剂入口管

9，入口管9的下方设有联接法兰10，下端与中心喷头28相配合

固接；15——内环通道，为中心导管与内环导管之间构成的环隙空间；15a——内环导管，其顶端部设有联接法兰11，上部设有燃料入口管8，

入口管8的下方设有联接法兰12，下端与内环喷头29相配合固

接；16——外环通道，为内环导管与外环导管之间构成的环隙空间；16a——外环导管，其顶端部设有联接法兰13，上部设有气化剂入口管

7，入口管7的下方设有联接法兰6，下端与外环喷头27相配合

固接；17——联接法兰，它固接在中心导管的顶端部，通过它用盲板将中心导

管顶端部封闭；18——旋流器，它紧配安装在中心喷头内；19——旋流器，它紧配安装在外环喷头内；20——凸缘，它设置在内环喷头的外侧，通过它保证内环喷头与外环喷

头之间的同心度；

21——凸缘，它设置在中心喷头的外侧，通过它保证中心喷头与内环喷

头之间的同心度；

22——冷却室，它位于外环喷头外侧端部处，是由外环喷头的外侧面

24，过渡凸缘25，短环管26，以及端面23所形成的空间；

23——端面，位于喷嘴的端部，固接在外环喷头27的外壳上；

24——外环喷头的外侧面；

25——过渡凸缘，它固接在外环喷头外侧面上；

26——短环管，它的一端与过渡凸缘25相固接，另一端与端面23相固

接，在它的外侧分别与入口管3，蛇管4相固接；

27——外环喷头，它的上端与外环导管16a相配合固接；

28——中心喷头，它的上端与中心导管14a相配合固接；

29——内环喷头，它的上端与内环导管15a相配合固接；

30——喷嘴的喷口；

31——环形喷头通道，由中心喷头的锥形部分与内环喷头的锥形部分所

构成的空间；燃料通过该通道被增速；

α——中心喷头的内收缩半角；

β——中心喷头外侧的倾角；

γ——内环喷头的内收缩半角，其大小与中心喷头外侧的倾角β保持一致；

τ——内环喷头外侧的倾角；

ε——外环喷头的内收缩半角。

中心喷管由中心导管14a与中心喷头28相配合固接而成；

内环喷管由内环导管15a与内环喷头29相配合固接而成；

外环喷管由外环导管16a与外环喷头27相配合固接而成；

由中心喷管、内环喷管、外环喷管组合而成本发明所说的三通道组合式喷嘴的核心部件，其上端分别籍助联接法兰10、11将中心喷管与内环喷管相定位固接，籍助联接法兰12、13将内环喷管与外环喷管相定位固接，籍助中心喷头28外侧的凸缘21、内环喷头29外侧的凸缘20，使中心喷头28、内环喷头29、外环喷头27三者之间保持同心度。

燃料由入口管8进入内环通道15，然后通过环形喷头通道31增速后喷出；气化剂分别由入口管7进入外环通道16，经旋流器19后由外环喷头27喷出，由入口管9进入中心通道14，经旋流器18后由中心喷头27喷出；气化剂与燃料在喷嘴的喷口30处进行强烈混合雾化，同时在高温下进行部分燃烧气化反应。

旋流器18、19的功用在于使气化剂形成一股高速旋流，以提高混合时的雾化角，使气固混合更趋均一，同时可有效地缩短燃烧火焰的长度。

中心喷头的内收缩半角α为15°～60°，其外侧倾角β为30°～60°，内环喷头的内收缩半角为γ，其大小与中心喷头的外侧倾角β保持一致，其外侧的倾角τ为20°～80°，外环喷头的内收缩半角ε为20°～75°。

外来的冷却液经入口管3进入冷却室22中，然后再经蛇管4由出口管5排出。通过冷却室、蛇管可有效地保护喷嘴，提高喷嘴的使用寿命。

按照本发明的构思和附图展示的内容，制成的带有旋流器的三通道组合式气化喷嘴，经试用显示有如下的技术效果：

当以含固量为58～80％(wt％)为燃料，以99.8％的氧气为气化剂。气化剂分别通过中心通道和外环通道进入喷嘴，水煤浆通过内环通道经环形喷头通道31增速后进入喷嘴，二者在喷嘴的喷口30处经强烈的混合雾化后进入气化炉中，并在喷口处进行部分燃烧气化反应，反应产物经测定，其中

有效气组份(H₂+CO)含量为83.36％(Vol％)，比现有技术提高2.04％，有效气产率1.6935Nm³/kg，比现有技术提高3％，比氧耗^*为345.0Nm³/Nm³，比现有技术降低2.5％，碳的转化率为98％，比现有技术提高2个百分点。

*比氧耗系指角1000Nm³有效气(H₂+CO)的氧气耗量。

总之，本发明的喷嘴既保留了现有喷嘴的优点，又克服了其存在的缺点，即延长了喷嘴与气化炉内的耐火材料的使用寿命，提高出口有效气的组成，提高碳转率，降低燃料与气化介质消耗，从而显著地推动了造气工业的技术进步。

Claims

1.一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴，其特征在于所说的喷嘴系由中心喷管、内环喷管、外环喷管，以及旋流器、冷却系统诸零部件组合而成的同心的三通道气化喷嘴，其中：

所说的中心喷管，主要由中心导管14a和中心喷头28二部件通过机械配合后再固接而成；在中心导管14a的顶端设有联接法兰17，并通过法兰17用盲板封闭，上部设有气化剂入口管9，以及在入口管9的下方设有联接法兰10，藉助法兰10与内环导管上顶端法兰11相配合固接；中心喷头28的内收缩半角α为15°～60°，其外侧倾角β为30°～60°，在中心喷头28的外侧(柱形部分)还设有凸缘21，藉助它与内环喷头的内侧配合以保持二者的同心度；

所说的内环喷管，主要由内环导管15a和内环喷头29二部件通过机械配合后再固接而成；在内环导管15a的顶端设有联接法兰11，藉助它与中心导管上的联接法兰10相配合固接，在内环导管的上部设有燃料入口管8，在入口管8的下方还设有联接法兰12，藉助它与外环导管16a上的顶端联接法兰13相配合固接；内环喷头29的内收缩半角γ与中心喷头28的外侧倾角保持一致，其外侧的倾角τ为20°～80°，在中心喷头28的外侧(柱形部分)还设有凸缘20，藉助它与外环喷头的内侧配合，以保持二者的同心度；

所说的外环喷管，主要由外环导管16a和外环喷头27二部件通过机械配合后再固接而成；在外环导管16a的顶端设有联接法兰13，藉助它与内环导管上的联接法兰12相配合固接，在外环导管16a的上部设有气化剂入口管7，在入口管7的下方还设有联接法兰6，藉助它与造气炉子外壳上的法兰相固接；外环喷头的内收缩半角ε为20°～75°；

所说的旋流器18、19，它们分别安装在中心喷头28和外环喷头27内，旋流器18的外径与中心喷头28的内径相等，轴枢内径与外径之比为0.1～0.8，旋流器19的外径与外环喷头27的内径相等，空腔的直径与内环喷头29的圆柱部分的外径相等，轴枢半径与其外半径之比为0.6～0.9；

所说的冷却系统2，主要由冷却室22与蛇管4构成，冷却液由入口管3进入冷却室22，再经蛇管4后由出口管5排出；冷却室22设置于喷嘴喷口端的外侧，分别由外环喷头的外侧面24、过渡凸缘25、短环管26，以及端面23所形成的空间；蛇管4设置在三通道组合式喷嘴下半部的外侧。

2.一种带有旋流器的三通道组合式水煤浆气化喷嘴的应用，其特征在于该喷嘴能用于合成气、燃料气或还原气的生产。